JP4972356B2

JP4972356B2 - 気相成長装置

Info

Publication number: JP4972356B2
Application number: JP2006190230A
Authority: JP
Inventors: 晃山口
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2006-07-11
Filing date: 2006-07-11
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2026-07-11
Also published as: JP2008021708A

Description

本発明は、フローチャンネル内に設置した基板をサセプタを介して加熱しながら原料ガスを供給して基板面に薄膜を成長させる気相成長装置に係り、特に、窒化ガリウム等の窒化物系化合物半導体膜を基板面に成長させる横型の有機金属気相成長装置に関する。

従来、横型の気相成長装置を用いて窒化物系化合物半導体膜等を形成する際の成膜温度は１２００℃以下とされていたが、近年、窒化アルミニウムをバッファ層に使用して窒化ガリウム等を成膜するプロセスが開発されており、このときの窒化アルミニウム層の成膜温度は１３００℃〜１６００℃程度が最適とされている。成膜には窒素源としてアンモニアガスが使用されることから、高温のアンモニアに接触するサセプタやヒーター等の部品は、セラミックス材質やそのコーティング品を使用しても消耗し、耐久性が低下して交換時期が短くなっていた。また、ヒーターについては、投入する電力が大きくなり、トランスやケーブル等の付帯設備も増強させなくてはならず、コストが嵩んでいた。

このため、基板面に対向するフローチャンネルの外側に赤外光光源と反射板とからなる加熱手段を設け、ヒーターによるサセプタの加熱と前記加熱手段による加熱とによって基板の温度を上げるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−１３２６９号公報

しかし、上述のものでは、フローチャンネルの外側に別の加熱手段を新たに設けなければならず、装置構成が複雑になるだけでなく、前記加熱手段も電力を消費するため、装置コストやランニングコストが上昇するという問題があった。

そこで本発明は、簡単な部材を追加するだけで基板の温度を効果的に上げることができ、ヒーター寿命の延長や消費電力の低減を図ることができる気相成長装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の気相成長装置は、フローチャンネル内に設置したサセプタに保持した基板を、サセプタを介してヒーターで加熱するとともに、前記フローチャンネル内に原料ガスを供給して基板面に反応生成物を堆積させて薄膜を成長させる気相成長装置において、前記基板面に対向するフローチャンネルの壁面と基板両側の側壁面とに、前記反応生成物よりも熱反射率が高い反射部材をそれぞれ設けたことを特徴としている。

前記反射部材は、基板面に対向する前記壁面と基板両側の側壁面との外側又は内側のいずれに設けてもよい。さらに、前記反射部材としては、１３００℃における黒体輻射ピーク位置である１．８μｍ帯での熱反射率が前記反応生成物よりも高い窒化ホウ素が、加工性も良好であることから、反射部材１８を形成する材料として使用可のである。また、前記フローチャンネル内に、前記基板面側に前記原料ガスを、前記反射部材側にパージガスをそれぞれ導入するガス導入流路を設けることが好ましい。

本発明の気相成長装置によれば、基板面に対向する壁面に熱反射率の高い反射部材を配置するだけの簡単な構成で、基板から放射された輻射熱を反射部材で反射して基板を再加熱することから、基板を効率よく加熱できる。これにより、ヒーター温度を低くしても基板の温度を十分に上げることができることから、消費電力の削減が図れるとともに、付帯設備の簡略化やヒーター寿命の延長が図れる。

また、反射部材自体が高温になることはないので、原料ガスの余分な分解反応を抑えることができ、高温成長が必要な窒化物系化合物半導体薄膜も再現性よく成膜することができ、反応生成物からのパーティクルの発生も少なくなるので歩留まりの向上も図れる。さらに、フローチャンネルの前記反射部材側にパージガスを導入することにより、輻射熱を反射する部分の清浄化が保たれ、熱反射によって基板を確実に加熱できるとともに、汚れによる反射率の低下を抑えて再現性の良好な成膜を行うことができる。

図１及び図２は本発明の気相成長装置の第１形態例を示すもので、図１は気相成長装置の断面正面図、図２は図１のII−II断面図である。この気相成長装置は、ガス流れ方向を水平方向としたフローチャンネル１１の底壁に回転可能に設置したサセプタ１２に基板１３を載置し、サセプタ１２の下方に配置したヒーター１４によってサセプタ１２を介して基板１３を所定温度に加熱するとともに、フローチャンネル１１内に原料ガス供給部１５から基板１３の表面（基板面）に対して平行に原料ガスを供給し、該原料ガスを基板上で熱分解させることによって基板面に反応生成物を堆積させて所望の薄膜を成長させる横型の気相成長装置であって、サセプタ１２は膜厚の平均化を図る目的で回転しており、サセプタ１２やヒーター１４の周囲は、ヒーター１４の熱をサセプタ１２に効率よく伝えるためのリフレクター１６により覆われている。

フローチャンネル１１は石英ガラスで形成されており、原料ガス供給部１５にはフローチャンネル１１内を上下に仕切る水平方向の仕切板１７が設けられ、この仕切板１７によって下部側流路１５ａと上部側流路１５ｂとが区画形成されている。基板１３に近い側の下部側流路１５ａには、所定の原料ガスが供給され、上部側流路１５ｂには不活性ガスからなるパージガスが供給される。

さらに、基板面に対向する壁面であるフローチャンネル１１の天井面１１ａの外側と、基板両側の側壁面１１ｂの外側とには、板状の反射部材１８が設けられている。この反射部材１８は、基板面に堆積する反応生成物よりも熱反射率が高い材料、例えば、窒化ホウ素や炭化珪素等のセラミックス系の材料で形成されるものであって、特に、窒化ホウ素は、１３００℃における黒体輻射ピーク位置である１．８μｍ帯での反射率が０．９程度と高く、加工性も良好であることから、反射部材１８を形成する材料として最適である。

このように形成された気相成長装置で窒化ガリウムの薄膜を形成する際には、前記ヒーター１４によりサセプタ１２を介して基板１３を１３００℃に加熱した状態で、前記下部側流路１５ａから原料ガスとしてトリメチルガリウム及びアンモニアを所定の割合で、前記上部側流路１５ｂからパージガスとして窒素ガスを、それぞれ層流状態で流れるようにフローチャンネル１１内に供給する。

基板１３は、裏面がサセプタ１２からの伝熱によって加熱されるとともに、基板１３の表面から放射された輻射熱が反射部材１８で反射し、反射した輻射熱によって基板表面が再加熱されるので、基板１３の加熱効率が向上する。したがって、ヒーター１４の温度を従来より低くしても、基板１３を所定の１３００℃に加熱することができる。これにより、ヒーター１４の消費電力を低減できるとともに、ヒーター１４の寿命延長が図れる。また、反射部材１８は基板１３からの輻射熱のほとんどを反射するので、反射部材自体が高温になることはない。

さらに、フローチャンネル１１の天井面１１ａに沿うようにパージガスを流すことにより、天井面１１ａの内面に反応生成物が付着することを防止でき、輻射熱を反射する部分を清浄に保つことができる。これにより、天井面１１ａにおける熱反射率を一定に保てるので、良好な再現性が得られるとともに、天井面１１ａに反応生成物が堆積することがなく、パーティクルの発生も抑えられるので、歩留まりも向上する。

図３は、本発明の第２形態例を示す気相成長装置の要部断面図であって、第１形態例と同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。本形態例に示す気相成長装置は、フローチャンネル１１の天井面１１ａの内側と、両側壁面１１ｂの内側とに反射部材２０をそれぞれ設けている。したがって、基板１３から放射された輻射熱は、フローチャンネル１１を形成する石英ガラスを透過することなく、反射部材２０によって直接反射して基板１３を再加熱することになる。これにより、基板１３をより効果的に加熱することが可能となる。

また、反射部材２０が高温のアンモニア等に曝されることになるが、前述の窒化ホウ素や炭化珪素等のセラミックス系の材料は、高温での耐食性も良好であるから、高温のアンモニアの腐食にも耐えることができる。さらに、天井面１１ａの内側に沿ってパージガスを流すことにより、反射部材２０が高温のアンモニアに接触することを防止でき、反射部材２０の反射面に反応生成物が付着することも防止できる。

次に、図４は、第１形態例で示した反射部材１８を有する気相成長装置Ａと、反射部材を持たない従来の気相成長装置Ｂとにおけるサセプタ表面温度とヒーター温度との関係を示す図である。気相成長装置Ａと気相成長装置Ｂとは以下の条件で運転し、サセプタの温度は、光ファイバ放射温度計を使用し、表面温度分布を最適化した後、その中心点でそれぞれ測定し、ヒーターの温度は、孔あきサセプタを使用し、サセプタの孔からヒーターの最外周より僅かに内側で測定した。

流量条件フローチャンネル内：Ｎ_２４０ｓｌｍ
ヒーターパージ：Ｎ_２１ｓｌｍ
圧力：常圧
回転：２ｒｐｍ

図４から明らかなように、ヒーター温度が１６００℃のとき、気相成長装置Ａではサセプタの表面温度が１３００℃になったのに対し、気相成長装置Ｂでは１３００℃に達しなかった。また、サセプタの表面温度が１１００℃のときの消費電力を比較すると、気相成長装置Ａが３．５４ｋｗに対し、気相成長装置Ｂは４．４１ｋｗであり、反射部材１８を設けることにより、従来に比べて使用電力を２０％程度減少できることがわかった。

また、気相成長装置Ａを使用し、サセプタ表面温度を１３００℃として窒化アルミニウム層を成長させた後、前記表面温度を１１００℃として窒化ガリウム層を堆積させたところ、その表面状態は均一で、パーティクルの少ない良好なものが得られた。

なお、反射部材の設置位置や大きさは、気相成長装置の大きさや構造によって適宜に設定することが可能であり、基板面に対向する壁面（前記両形態例では天井面）だけに設置するようにしてもよい。また、本発明は、高温成長が必要な窒化物系化合物半導体薄膜や窒化アルミニウムを含む窒化物系化合物半導体薄膜を成膜する際だけでなく、窒化ガリウム等の通常の薄膜を成膜する際にも消費電力低減等の効果を得ることができる。

本発明の第１形態例を示す気相成長装置の断面正面図である。図１のII-II断面図である。第２形態例を示す気相成長装置の要部断面図である。本発明を適用した気相成長装置と従来の気相成長装置とにおけるサセプタ表面温度とヒーター温度との関係を示す図である。

符号の説明

１１…フローチャンネル、１１ａ…天井面、１１ｂ…側壁面、１２…サセプタ、１３…基板、１４…ヒーター、１５…原料ガス供給部、１５ａ…下部側流路、１５ｂ…上部側流路、１６…リフレクター、１７…仕切板、１８，２０…反射部材

Claims

フローチャンネル内に設置したサセプタに保持した基板を、サセプタを介してヒーターで加熱するとともに、前記フローチャンネル内に原料ガスを供給して基板面に反応生成物を堆積させて薄膜を成長させる気相成長装置において、
前記基板面に対向するフローチャンネルの壁面と基板両側の側壁面とに、前記反応生成物よりも熱反射率が高い反射部材をそれぞれ設けたことを特徴とする気相成長装置。
前記反射部材は、基板面に対向する前記壁面及び基板両側の側壁面の外側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
前記反射部材は、基板面に対向する前記壁面及び基板両側の側壁面の内側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
前記反射部材は、１３００℃における黒体輻射ピーク位置である１．８μｍ帯での熱反射率が前記反応生成物よりも高い窒化ホウ素であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の気相成長装置。
前記フローチャンネル内に、前記基板面側に前記原料ガスを、前記反射部材側にパージガスをそれぞれ導入するガス導入流路を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の気相成長装置。